دل هر ذره را که بشکافی...

رادیواکتیویته
در سال 1896 آنتوان‌هانری بکرل (Becquerel) فیزیکدان فرانسوی که از کشف اشعه X به وسیله رونتگن مطلع شده بود، به دنبال یک رشته آزمایش روی سنگ معدنی به نام اورانیل، فعالیت‌های پرتوافشانی خود به خودی خاصی را کشف کرد و آن را «رادیواکتیویته» نام گذاشت. پس از او ماری و پی‌یر کوری هم دو عنصر رادیوم و پولونیوم را کشف کردند که خاصیت رادیواکتیویته بسیار بیشتری داشتند. اما بیشتر پژوهش‌ها روی رادیواکتیویته به وسیله لرد رادرفورد انجام شد. او کشف کرد که خاصیت رادیواکتیویته ناشی از پراکنش سه نوع اشعه است:
1- اشعه آلفا که توسط یک برگ کاغذ متوقف می‌شود. بار آن مثبت است و در حقیقت همان یون‌های هلیوم دو بار مثبت با هسته اتم هلیوم است.
2- اشعه بتا که از ورقه جند میلی‌متری آلومینیوم رد می‌شود. بار آن منفی است. ماهیت این اشعه الکترون‌های پرانرژی است.
3- اشعه گاما که از صفحات سربی به ضخامت ده‌ها سانتی‌متر هم عبور می‌کند، از لحاظ الکتریکی خنثی است. این اشعه فوتون‌های پرانرژی با طول موج بسیار کوتاه است.
دانشمندان با توجه به مجموعه آزمایش‌های رادرفورد به این نتیجه رسیدند که اتم‌ها برخلاف نامشان از اجزای کوچکتری هم تشکیل شده‌اند.
هسته
افتخار کشق هسته اتم نیز از آن رادرفورد است. او با کمک دو دانشجویش به نام گایگر و مارسدن با انجام آزمایشی که «پراکندگی» نام دارد، به وجود هسته پی برد. رادرفورد فکر می‌کرد که اتم‌ها مثل مدل کیک کشمشی تامسون از تعدادی الکترون تشکیل شده‌اند که در یک فضای پیوسته با بار مثبت قرار دارند. به همین دلیل ذرات آلفا را به سمت ورقه نازکی از طلا پرتاب کرد. اما پراکندگی این ذرات از هسته طلا نشان داد که بارهای مثبت در ناحیه بسیار کوچکی در وسط اتم متمرکز شده‌اند. شعاع اتم حدود یک آنگسترم (10- 10 متر) است ولی اندازه هسته حدود 10 فرمی (14-10 متر) است.
نیمه عمر
پس از اینکه رادرفورد ماهیت تشعشع رادیواکتیو را کشف کرد، دانشمندان پی بردند که رادیواکتیویته به علت تلاشی خود به خود هسته‌ای هسته‌‌های سنگین و تبدیل آنها به هسته‌های سبک‌تر است. در حین این تبدیل، ذرات آلفا، بتا و گاما ساطع می‌شود. در حقیقت پس از خارج شدن این ذرات از هسته، ماهیت آن تغییر می‌کند. تعداد هسته‌هایی که در هر لحظه متلاشی می‌شوند با تعداد هسته‌ها در آن لحظه نسبت مستقیم دارد. زمانی را که نیمی از هسته‌های ماده ابتدایی متلاشی می‌شوند، نیمه عمر ماده می‌گویند. یعنی اگر در ابتدا یک گرم ماده رادیواکتیو داشته باشیم، پس از یک نیمه عمر نصف و پس از دو نیمه عمر، یک چهارم و پس از سه نیمه عمر، یک هشتم مقدار اولیه را خواهیم داشت. نیمه‌عمر مواد مختلف متفاوت است و از چند میلیاردیوم ثانیه تا چندین میلیارد سال تغییر می‌کند. معمولاً هرچه نیمه عمر بیشتر باشد، انرژی ساطع شده از تلاشی رادیواکتیویته کمتر است. نیمه عمر اورانیوم 5/4 میلیارد سال است. نیمه عمر رادیوم 1590 سال و نیم عمر راکتانیوم کمتر از 10 هزارم ثانیه است.
درون هسته
مدل اتمی رادرفورد بیانگر این مطلب بود که هسته در وسط اتم دارای بار مثبت است و الکترون‌ها با بار منفی در اطراف آن قرار دارند. مدل اتمی بور هم مدل رادرفورد را کامل کرد و سازوکار منظمی را برای استقرار الکترون‌ها در اطراف هسته تدوین کرد. اما تفسیر و توجیه رادیواکتیویته تردیدی به جای نمی‌گذارد که هسته‌ها خود مجموعه مکانیکی پیچیده‌ای هستند که از اجزای سازنده متفاوتی تشکیل شده‌اند. این واقعیت که وزن اتمی ایزوتوپ‌های اتم‌های مختلف (بعضی از اتم‌ها در حالی که جرم اندکی متفاوت با هم دارند، خواص شیمیایی کاملاً یکسانی دارند، به این اتم‌ها ایزوتوپ می‌گویند.) با اعداد صحیح (با لااقل بسیار نزدیک به عدد صحیح) بیان می‌شود، نشان می‌دهد که پروتون‌ها (حاملان بار مثبت) باید نقش یکی از اجزای اصلی سازنده هسته را داشته باشند. ابتدا فرض می‌کردند که درون هر هسته علاوه بر پروتون، الکترون هم هست. یعنی مثلاً کربن که جرم 12 و بار 6+ دارد، درون هسته خود 12 پروتون و 6 الکترون دارد و و علاوه بر آن در بیرون هسته هم 6 الکترون به دور آن می‌چرخند اما این راه‌حل از لحاظ نظری مشکلات عدیده‌ای را به همراه داشت. اما رادرفورد و بور پیشنهاد کردند که علاوه بر پروتون ذره دیگری هم جرم آن ولی بدون بار درون هسته است. آنها نام نوترون را برای آن انتخاب کردند و این ذره در سال 1932 توسط چادویک کشف شد.
اسپین
اتم‌ها در اثر گرفتن انرژی، تابش می‌کنند. این تابش ناشی از این است که الکترون‌های اطراف هسته، انرژی می‌گویند و بعد این انرژی را به صورت یک فوتون با طول موج معین باز می‌تابانند. اما خود این طیف در مجاورت میدان الکترومغناطیسی، به چند طول موج جدا از هم تفکیک می‌شود. علت این است که الکترون‌ها در اتم، اندازه حرکت زاویه‌ای هم دارند. اشترن و گرلاخ نشان دادند که الکترون‌ها علاوه بر این اندازه حرکت زاویه‌ای، خاصیت دیگری هم دارند که فقط در حضور میدان مغناطیسی آن را بروز می‌دهند. به دلیل شباهت این خاصیت به اندازه حرکت زاویه‌ای، نام آن را «اندازه حرکت زاویه‌ای ذاتی» با اسپین نهادند. بعدها ثابت شد که علاوه بر الکترون، باقی ذرات بنیادی هم اسپین این است که یک خاصیت هم اسپین دارند. مهمترین ویژگی اسپین این است که یک خاصیت کاملاً کوانتومی است و مشابه کلاسیک ندارد. ذراتی که اسپین نیم صحیح دارند (یک دوم، سه دوم،...) فرمیون می‌نامید، مثل الکترون، پروتون، نوترون و... این ذرات تشکیل‌دهنده ماده هستند. در مقابل ذراتی که اسپین صحیح دارند (صفر، 1، 2 و...) بوزون گفته می‌شوند، مثل فوتون، مزون، گلوتون و... این ذرات حامل نیروها هستند.
ایزواسپین و نیروی هسته‌ای
هنگامی که نوترون توسط چادویک کشف شد، این واقعیت مسلم شد که علاوه بر نیروی گرانش و الکترومغناطیسی، حداقل یک نیروی دیگر در طبیعت وجود دارد و این نیرو است که عامل پیوند نوکلئون‌ها (پروتون‌ها و نوترون‌ها) درون هسته است. زیرا در صورت عدم وجود این نیرو، در اثر دافعه شدید بارهای مثبت پروتون‌ها بر هم، هسته از هم می‌پاشد. از این مثال برمی‌آید که اولاً این نیرو باید جاذبه‌ای باشد تا در مقابل دافعه پروتون‌ها بایستد و ثانیاً برد آن باید خیلی کوتاه باشد و از ابعاد هسته بیشتر نباشد. زیرا نیروی الکترومغناطیسی (در مدل بوهر) آرایش الکترون‌ها در مدارهای اتمی را به خوبی توضیح می‌داد. اما واقعیت مهم و جالب‌تر این است که باید برای این نیرو، پروتون و نوترون به یک شکل دیده شوند و فارغ از اختلاف بار الکتریکی این دو ذره یک شکل باشند. هایزنبرگ با استفاده از این واقعیت و با ایده گرفتن از نظریه اسپین، مفهوم ریاضی جدیدی به نام «ایزوتوپ اسپین» یا ایزواسپین را معرفی کرد. او پیشنهاد کرد که همان طور که در حضور میدان الکتریکی خطوط طیفی یکی هستند و با ظهور میدان مغناطیسی به چند خط دیگر شکافته می‌شوند، نوکلئون‌ها (پروتون و نوترون) هم در حقیقت در مقابل نیروی هسته‌ای یک ذره هستند اما هنگام ظهور نیروهای الکترومغناطیسی به دو ذره با ایزواسپین متفاوت تبدیل می‌شوند.
نیروی هسته‌ای قوی
یوکاوا فیزیکدان ژاپنی در سال 1935 برای توضیح نیروی هسته‌ای گفت: این نیرو باید در اثر مبادله ذره‌ای به نام پیون (مزون پی) بین نوکلئون‌ها به وجود بیاید. چون این ذره نسبتاً سنگین است، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ ایجاب می‌کند که برد این نیرو کوتاه باشد، به این ترتیب ایده مبادله ذره، توانست تمام ویژگی‌های نیروهای هسته‌ای را توضیح بدهد. پیون‌ها هم مثل نوکلئون‌ها برای نیروی هسته‌ای یک ذره به شمار می‌روند اما ایزواسپین آنها یک است یعنی در مقابل نیروی الکترومغناطیسی 3 حالت پیون با بار مثبت و بار منفی و خنثی را دارند. یک پروتون، با از دست دادن یک پیون مثبت به نوترون تبدیل می‌شود و این پیون مثبت خود یک نوترون دیگر را به پروتون تبدیل می‌کند. دوتا نوترون یا دوتا پروتون هم می‌توانند با هم پیوند خنثی (صفر) مبادله کنند. یک نوترون همراه با از دست دادن یک پیون منفی به پروتون تبدیل می‌شود و این پیوند منفی با یک پروتون دیگر، یک نوترون تولید می‌کند. به این ترتیب با معادله این ذرات، نوکلئون‌ها در هسته پایدار میّ‌مانند.
نیروی هسته‌ای ضعیف
یکی از ویژگی‌های بارز نوترون نیمه‌عمر آن است. نوترون در حالت آزاد پس از 18 دقیقه متلاشی و یک پروتون و یک الکترون تبدیل می‌شود.
این مدت بسیار طولانی‌تر از تمام پدیده‌های است که با نیروی قوی سروکار دارد. نیروهای الکترومغناطیسی هم بر نوترون بدون بار عمل نمی‌کنند.
پس واضح است که متلاشی نوترون، ناشی از یک نیروی جدید در طبیعت است. به علت ضعیف بودن این نیرو نسبت به نیروی هسته‌ای آن را نیروی هسته‌ای ضعیف نام گذاشتند. متلاشی هسته که نتیجه آن تولید پرتو بتا است هم ریشه در این نیرو دارد.
شکافت
فرمی در فاصله کم کمی بعد از کشف نوترون در سال 1932 بررسی هسته اتم‌های سنگین بمباران شده به وسیله نوترون را آغاز کرد و از انجام این آزمایش‌ها با اورانیوم نتایج عجیبی به دست آمد. اتوهان و اشتراسمن در سال 1939 این معضل را حل کردند.
آنها کشف کردند وقتی که اورانیوم با نوترون بمباران می‌شود، هسته‌های مثل باریو تلوید می‌شوند که عدد اتمی آنها خیلی کوچک‌تر از عدد اتمی اورانیوم است. لیز میتنر فیزیکدان آلمانی که در سوئد زندگی می‌کرد، این پدیده را به دقت بررسی کرد و نام شکافت را برای آن انتخاب کرد. بور و ویلر با ارائه مقاله‌ای فهم نظری شکافت را به‌طور کامل ممکن کردند و پس از ارائه مقاله آنها کلیه پژوهش‌های علمی در مورد شکافت هسته‌ای تا به امروز جزء اسناد فوق‌العاده سری، طبقه‌بندی می‌شود.
گداخت
هسته‌های خیلی سبک مثل هیدروژن یا هلیوم انرژی بستگی کمتری نسبت به هسته‌های سنگین دارند. اگر دو هسته سبک در هم ادغام شوند، هسته سنگین‌تری را به وجود می‌آورند و مقدار زیادی انرژی به صورت انرژی جنبشی آزاد می‌شود. برای انجام گداخت باید هسته‌ها را بسیار به هم نزدیک کرد. دافعه اکترواستاتیکی مانع بزرگی برای این فرآیند است. این واکنش با افزایش انرژی جنبشی هسته‌های اولیه انجام می‌شود. دسترسی به چنین انرژی‌های در شتاب‌دهنده‌ها آسان است اما برای اینکه این واکنش خودنگهدار باشد، به دمای حدود 180 کلوین نیاز است. (دمای سطح خورشید شش هزار کلوین است.) چنین وضعیتی تنها در حالت پلاسمایی ماده پیش می‌آید که در آن هسته‌ها و الکترون‌ها از هم جدا هستند. پژوهش‌ها به روی گداخت هسته‌ای همچنان ادامه دارد و قرار است در رآکتور Iter در فرانسه برای نخستین‌بار چنین فرایند خودنگهداری‌ای ایجاد شود. اما شاید رسیدن به این هدف چند دهه طول بکشد.